張博超，黃歡，陳團海，夏夢瑩，計寧寧

（中海石油氣電集團有限責任公司 北京市朝陽區(qū)100028）

引言

LNG儲罐是LNG接收站中最重要的設備之一。LNG儲罐內罐的設計，則是LNG儲罐設計的難點之一。內罐需要承擔液體在各種工況下的荷載，而且需要在-165℃的低溫環(huán)境下保證正常工作不失效。通常情況下，LNG儲罐內罐采用9%Ni鋼板制成。由于設計難度大，材料造價高，對整個儲罐影響嚴重，因此內罐的設計國內LNG行業(yè)各個公司研究中重點內容之一。

目前國內已有多名學者對LNG儲罐內罐進行了分析與研究。黃歡[1]通過分析國產9%Ni鋼板現(xiàn)狀及計算結果，給出了LNG儲罐內罐的優(yōu)化建議；揚帆等[2]通過分析，給出了LNG儲罐內罐計算的參考計算方法；管有海等[3]通過液固耦合，對LNG儲罐內罐和外罐模態(tài)進行分析，研究儲罐震動頻率的影響；曹學文等[4]通過計算和對比，分析模型和現(xiàn)場實際數(shù)據的誤差，并建議大型LNG儲罐分三個階段進行預冷；蘇娟等[5]人借助有限元軟件，模擬了內罐泄漏工況下，LNG液體低溫對儲罐的影響，并提出了應對建議。

1 內罐建模

1.1 內罐設計方案

傳統(tǒng)的大型LNG全容儲罐，內罐通常采用9%Ni鋼結構。罐底和罐壁均由鋼板焊接形成，罐壁需在出廠前根據設計方案進行預彎。根據GB/T 26978中的要求，當儲罐罐壁直徑大于60m時，內罐壁板最小厚度為10mm。罐底板最小厚度為5mm，底環(huán)板最小厚度為8mm[6]。

目前LNG儲罐工程設計，通常采用理論公式計算，得到每層壁板的厚度。本文基于中國海油某大型LNG儲罐設計方案，通過數(shù)值模擬，對LNG內罐在預冷、水壓試驗、調試階段進行分析，研究內罐實際的工作情況，得到不同位置的受力情況，并提出相關建議，為后續(xù)儲罐設計提供參考。

參考某大型LNG儲罐項目，對儲罐內罐進行建模，其中內罐直徑82m，壁板高36.19m，底板厚度6mm，底環(huán)板厚度20mm，壁板采用11層鋼板安裝形成，每層鋼板厚度如下圖所示：

內罐共設置7層加強筋，每層加強筋的高度及鋼板厚度，如下圖所示：

表1 某LNG項目內罐加強筋尺寸

1.2 模型建立

本文采用ABAQUS軟件進行建模，張超在《ABAQUS 在LNG儲罐設計與分析中的應用》[7]一書中，詳細介紹了儲罐采用ABAQUS建模分析的方法，本文參考此書中推薦的方法，并結合實際的設計建造情況，建立LNG儲罐內罐模型并進行計算分析。

儲罐內罐計算模型如下圖所示：

圖2 LNG儲罐內罐二分之一模型

2 計算結果

2.1 預冷計算結果

模擬LNG儲罐預冷工況，對內罐進行預冷計算。計算時初始溫度設置為20℃，預冷溫度為-165℃。由于儲罐內罐放置在罐底保冷材料上，與外罐襯板無焊接，因此內罐底板中心進行固定約束，內罐底板對Z方向進行位移約束。罐壁不進行約束。

預冷時，罐內無液體，因此罐內除溫度荷載外，無液壓荷載。

預冷工況應力計算云圖如下所示：

圖3 內罐預冷計算應力云圖

根據計算結果，在預冷工況下，內罐最大應力約218MPa，位置處于在內罐底環(huán)板。由于底環(huán)板受力計算結果與其他位置計算相差較大，運途中無法清晰顯示其他位置情況，因此對底環(huán)板進行隱藏，根據隱藏后的云圖，可從結果看出，壁板計算最大值位于底部，頂部應力可以忽略不計。

圖4 隱藏底環(huán)板應力云圖

內罐壁板遇冷后，主要體現(xiàn)為鋼板預冷收縮，產生較大的位移，內罐預冷計算位移云圖如下所示：

圖5 內罐預冷位移云圖

根據計算結果，內罐在預冷時產生較大的位移，最大處為內罐壁板頂部，主要原因為直徑和高度預冷收縮。底板預冷向內側收縮，直接越大，收縮量越大。

根據遇冷工況模擬計算結果可以得出，LNG儲罐內罐在預冷工況下，結構整體受力較小，主要荷載集中在內罐底環(huán)板處，因此設計時需要考慮底環(huán)板的荷載，在預冷時儲罐產生明顯的收縮，最大收縮量可達約120mm，因此設計時需要考慮內罐變形對其他結構影響，如設置錨固帶，需考慮內罐預冷變形對錨固帶產生的荷載。

2.2 水壓試驗計算結果

模擬內罐水壓試驗工況，對內罐進行計算。在內罐壁板內側施加靜水壓力，最大靜水壓力為197kPa，在20.1m處壓力為0。底板施加197kPa的均布水壓力。

由于內罐水壓試驗工況處于常溫狀態(tài)，因此在模擬工程中不考慮溫度荷載。

水壓試驗計算內罐計算結果如下：

圖6 內罐水壓試驗應力云圖

圖7 內罐水壓試驗位移云圖

通過計算結果可以看出，內罐在水壓試驗時，最大應力出現(xiàn)在內罐壁板底部。由于罐壁底部所受的靜水壓力較大，因此在此處的應力較大，最大可達298MPa。由于水壓試驗高度僅為20.1m，因此在此高度以上的壁板，無液體壓力，所承受的荷載較小。

在水壓試驗工況下，罐內位移與儲罐應力結果相似，最大位移出現(xiàn)在內罐壁板底部，最大值達到63mm。而罐壁頂部和罐底，位移較小。

2.3 運行計算結果

模擬儲罐運行工況，對內罐進行計算。在運行工況下，內罐處于低溫環(huán)境下，溫度條件與遇冷工況相同，均為-165℃。本次運行工況，考慮滿罐狀態(tài)下儲罐運行荷載，在儲罐壁板內側施加靜水壓力，最大靜水壓力為154kPa，在32.7m處靜水壓力為0。底板施加154kPa的均布水壓力。

運行工況下儲罐內罐計算結果如下：

圖8 內罐運行應力云圖

圖9 內罐運行位移云圖

根據計算結果可以看出，內罐在滿罐運行時，壁板受力最大點仍然在底部。最大值達到241MPa。隨著壁板高度增加，應力逐漸減小。底板受力最大點為底環(huán)板，中幅板受力較小。

內罐在滿罐運行時，罐內處于低溫狀態(tài)，鋼板預冷收縮，位移較大。內罐位移最大處為壁板頂部，最大位移達到140mm，壁板位置降低，位移減小。底板位移量，整體小于內罐壁板位移，底板最大位移在外側底環(huán)板處，隨著底板半徑減小，位移量逐漸減小。

3 應力分析

由上計算結果可知，同位置受力差異較大，在后續(xù)設計時可考慮不同的安全余量。當儲罐處于預冷工況時，由于罐內無液壓，且儲罐內部無約束條件，因此儲罐罐壁荷載較小，鋼板強度設計余量較大。預冷條件下，儲罐最大荷載為內罐底環(huán)板荷載，底板直徑越大，內罐收縮量越大，因此底環(huán)板荷載較大。根據設計標準，預冷工況下內罐各部位荷載均在需用應力范圍內，對內罐影響不大，但需要考慮內罐收縮引起的變形，如考慮錨固帶等設計方案，需對錨固帶進行復核，確保位移能夠滿足要求。

水壓試驗工況下，由于水壓試驗的荷載大于內罐最大液位下的荷載，因此水壓試驗中壁板最大應力這3種工況下最大值。但由于水壓試驗液位高度與運行液位高度相比較低，因此上部壁板的實際受力小于正常運行時受力。根據結果對比，在第3層壁板中，水壓試驗和運行兩種工況最大應力相近，在第4層壁板以上，運行工況荷載明顯大于水壓試驗工況。當水壓試驗為控制工況時，應考慮增加底層壁板的設計余量，提高內罐的安全系數(shù)。

在運行工況時，由于儲罐承受低溫、液壓等多項荷載，因此在滿罐運行時內罐計算結果較大。在3種不同工況下，內罐底4-11層壁板最大應力均出現(xiàn)在運行工況中。且運行工況是實際生產中最常見的工況，運行期需鋼板許用應力小于試驗及偶然工況荷載，因此運行可能是內罐計算的控制工況之一，因此在計算時，應考慮運行空曠的安全系數(shù)。

雖然內罐設計時已經考慮加強底部壁板的厚度，但在實際的工況模擬中，底部壁板應力仍然大于頂部壁板，因此設計時需要提升壁板尤其是底部壁板的設計余量，確保內罐運行安全可靠。

同時，內罐在預冷及運行工況，存在較大的變形，最大值超過140mm，對結構影響較大。因此在設計時，需要考慮內罐收縮，對吊頂、錨固帶、珍珠巖、彈性氈等其它結構的影響，提前考慮收縮余量及其處理措施。

4 結論

1、預冷條件下，內罐最大應力為底環(huán)板處，壁板所受荷載較小，但內罐收縮量較大，需考慮內罐收縮位移對儲罐的影響。

2、水壓試驗條件下，內罐底部壁板受力較大，可提高此部位的安全余量，但由于液位高度較低，因此上部壁板荷載較小。

3、運行條件下，儲罐壁板荷載較大，尤其是3層上壁板，需考慮相關安全余量。同時運行期內罐許用應力較小，收縮位移較大，需要在設計時考慮此方面影響。